3.1 脑电信号与脑电波

3.1.1 脑电的生理学基础

人脑中共有大约1000亿个神经细胞，其中有140亿个神经细胞在大脑皮质中，每个神经细胞平均有10000个神经连接，它们形成了极其庞大的神经细胞网络。脑内电流信号产生于大脑神经元，像其他生物细胞一样，神经元主要由三部分组成：细胞体、树突（细胞体上大量的短纤维）和轴突（一段很长的神经纤维）。在高速传输的轴突周围还包围着一层随磷脂鞘。轴突的末端细分为突触终末并与其他神经元或效应器的细胞接触形成突触（synapse）。大部分突触集中在细胞体的树突基部，部分突触集中在顶树突。神经细胞相互之间通过突触（神经键）传递信息。一个神经细胞通常覆盖着几千个突触。大脑表面覆盖着一层灰色物质，称为皮层，平均厚度为2.5毫米，主要由神经细胞组成。皮层表面凹凸不平，布满许多沟壑，称为脑回。这种复杂的脑回结构大大增加了人脑的表面积，导致了人类在思维、智力和行为等方面的多样性并使得每个个体具有各自的特性。人的大脑内离子在神经元之间的定向运动形成了人的大脑皮层内的电场。如果将电极置于头皮，则这些电极和一个参考电极（如耳垂）间可以采集到连续的电位波动，称为脑电信号，简称EEG（electroencephalogram）。脑电信号的频率一般为1～30Hz，幅度大多为10～100μV。脑电主要记录以下三种电位活动的叠加：（1）神经细胞固有的膜电位及波动；（2）动作电位的传导；（3）突触传递中的突触后电位。

脑电信号是由大量神经元放电时突触后电位（postsynaptic potential）引起的细胞外场电位（extra-cellular field potential）的总和。如图3.1所示，当某个神经元被其他神经元的动作电位所激活时，其顶部树突位置处会产生兴奋的突触后电位（excitatory postsynaptic potentials, EPSPs）。此时顶部树突膜会出现短暂的去极化，从而相对于胞体和底部树突在胞外呈电负性，胞内呈电正性。该电位差会导致电流从非激活的胞体膜和底部树突流经胞外容积导体后到达顶部树突，而胞内电流则会从树突干中穿过，由顶部树突流至非激活的胞体膜和底部树突。胞内电流通常称为初级电流（primary current），而胞外电流通常称为次级电流（secondary current）或体电流（volume current）。

仅有初级电流和次级电流并不一定会在头皮处产生可测电压，头皮电压的大小在很大程度上还取决于神经元的空间结构排列。脑电信号主要由大量同步激活的锥形皮层神经元组成的巨柱产生，这些神经元的树突呈平行分布，而且垂直指向皮层表面。这些与在树突产生的EPSPs相关联的电流被认为是脑电信号的源，因为它们的持续时间通常比在兴奋神经元的轴突上传播的快速发放动作电位更长。初级电流源经过颅骨等生物组织向头皮上放置的电极发射电场，该过程称为容积传导（volume conduction）。在低频段（＜1000Hz），组织阻抗的容性成分、诱导效应以及电磁传播效应可以忽略不计，此时容积传导过程可由准静态的麦克斯韦方程来描述。

当神经元活动时，会有微弱的电流在神经系统中产生。神经元不同部位的电活动特点并不完全相同，总的来说一个神经元可产生四种信号：输入信号、整合信号、传导信号和输出信号。大多数情况下，树突接受传入信息，传向细胞体，轴突把信号输出到另一个细胞，如图3.2所示。

人的大脑网络是由数以万计的神经核团交错连接构成的。大脑每个神经核团都由神经元组成。神经元一般由细胞体及其发出的几个树突和一个轴突（神经纤维）组成，是神经系统的基本结构或机能单位。神经元在受到各种刺激时，会产生和传递兴奋或抑制神经冲动，由轴突和树突完成神经细胞间的相互联系。轴突的末端分叉为神经终末，并与其他神经元或效应器的细胞接触，形成突触性连接，神经元之间的兴奋传导是通过突触进行的。轴突主要是作为传出纤维，而树突又分为短树突和顶树突，短树突联系各神经细胞，顶树突源于大脑皮层三、五层的锥体细胞，伸向皮层表面。

目前，大多数学者认为顶树突在脑电波的形成中起主导作用。脑电活动是由垂直方向的锥体神经细胞与其顶树突的突触后电位产生的。当神经冲动经过突触由突触前神经元向突触后神经元传导时，突触小体内释放出神经递质，经突触间隙作用于突触后膜，改变了突触后膜对离子的通透性，被释放在突触间隙内的神经递质与离子和膜后的受体结合，使得膜电位发生变化并产生局部电流，通过积累传递给下一个神经元。神经元反馈回路学说认为，多数神经元及中间神经元会形成闭合回路，当神经元兴奋时，可以通过反馈回路的神经冲动由中间神经元来刺激神经元本身而产生一系列反复的刺激，这样就产生周期性的神经元放电，从而可以记录到连续的综合性突触后电位，大脑皮层也就出现了一个节律性的电活动。

脑电信号是一种生物电信号，其采集对理解人脑功能机制是非常重要的。现在广泛使用的脑电图就是记录脑细胞电活动与时间相互关系的图谱，图谱中纵轴为电位信息，横轴为时间信息。它利用在头皮上安放的电极测量脑细胞的直接电活动，并经脑电图仪放大后记录在专用的纸上，呈现出具有波形、频率、波幅和相位的图形曲线。

3.1.2 脑电的物理学基础

神经元的电活动是由细胞膜的电特性决定的，安静状态下的活体细胞膜处于电极化状态，即膜的两侧存在着一个内负外正约70mV的电位差，称为静息电位（resting potential），其功能主要是为产生动作电位（action potential）做准备。当神经元受到刺激时，膜内外两侧的电位差会降低并同时提高膜的兴奋性，兴奋性提高到一定程度就会产生神经冲动或兴奋（impulse），它伴随着一个峰形的动作电位，此时膜两侧的电位会发生一次性倒转，变成内正外负。即，膜内原来存在的负电位迅速瓦解，在短时间内变到约+40mV的水平，构成动作电位的上升相（去极化），但很快又恢复到静息状态的水平，构成下降相（复极化）。在图形上形成一个短促的尖脉冲，只持续1ms左右。

关于生物电产生机制的理论解释，普遍认同的是在伯恩斯坦（Bernstein）的膜学说基础上由霍奇金（Hodgkin）学派发展起来的离子学说（ionic theory）。这种理论以细胞膜内、外离子分布不均匀和膜具有不同的选择通透性为基础。它认为，膜电位值是由离子的运动所决定的，在不同的生理状态下，透过膜的各种离子数量不同，因而呈现不同的膜电位。在生物组织内的众多离子中，与膜电位关系较大的有钾、钠、氯三种离子。膜内、外离子浓度分布的不均匀性是由钠—钾泵维持的。

为了计算静息膜电位，1949年霍奇金（Hodgkin）和卡茨（Katz）利用高德曼（Goldman）于1943年提出的定场学说，根据几个简单的假设（即假定膜两侧的电位差保持恒定不变，则各种离子通过膜的流动受其扩散速度与电场的影响），推导出以下方程式中：Em为膜电位；R是气体常数；T为绝对温度；F为法拉第常数；PK, PNa分别是K+,Na+的通透系数（permeability coefficient，可理解为离子的电导）; [K+]i, [K+]o分别为膜内、外的K十浓度；符号“…”表示其他的离子也用同样的方式表达。产生膜电位的关键是离子的透膜运动造成的平衡电位，从电化学位能的角度加以解释就是，膜两侧某一离子的浓度能量差与电位能量差之和为零。

当细胞未处于兴奋状态时，PK≫PNa，结果K+的浓度膜内高于膜外，Na+的浓度膜外高于膜内，此时高德曼方程就转化成能斯特（Nernst）公式，即膜电位主要受K+的浓度梯度支配，其结果是形成一个负的静息电位。当神经细胞受到一个足够强的刺激时，即去极化过程达到一阈值水平（通常约高于静息电位15mV），对电压敏感的Na+通道开放，使PNa≫PK，引起神经兴奋，这时高德曼方程主要受Na+的浓度梯度支配，从而产生一个短暂的正电位。动作电位的上升相是膜外Na+快速内流的结果。但Na+的通过性增加只是暂时的，紧接着PNa降低，PK增加，直至重建K+的平衡电位，这就形成了动作电位的下降相。刺激过后，为了将[K+]i和[Na+]i恢复到原来静息膜电位水平，钠—钾泵被自动激活，使得神经元在一个主动的逆浓度差作用下泵出Na+，泵入K+，形成钠—钾泵机制。在这个过程中，三磷酸腺苷（ATP）为电解质泵提供了能量，这一过程就像电池在静息状态下充电，然后在激活状态下放电。

膜电位的存在是神经组织赖以发挥正常功能的基本条件，只有神经元膜电位的存在才能接收刺激信号并将这一刺激信号沿神经束传导、传递。可兴奋组织的功能异常可能与其膜电位异常有关。生物电的评估为详细研究生理现象的中间过程提供了一种有效的方法，其在临床上有很大的疾病诊断价值。

3.1.3 脑电的动力学基础

兴奋的触发源可以来自人体内部的刺激，如肢体的随意运动，一般认为是大脑某处（可能是皮质区）首先产生运动的决定（源自内源的冲动或外源的刺激，经过神经系统的判断之后给出这个指令），然后再将命令信号送到运动皮层以控制骨骼肌的动作。例如，神经细胞群接受源自各种感受器的刺激，如光进入眼睛可记录到视觉诱发电位（visual evoked potentials, VEP），用短暂声音刺激耳朵，也可在脑干记录到听觉诱发电位（auditory evoked potentials, AEP）。可兴奋组织将对各种兴奋源的刺激产生阶跃状（graded）响应，并与刺激的强度和持续的时间呈正比，其值超过一定的阈值后都将变成同一类型的信号，即神经冲动。

兴奋过程从无髓纤维的这一段传到下一段，是由于局部有一个电流流动的回路（circuit）。已经兴奋的点，由于膜的去极化，其电位低于前端尚未去极化部位，于是极化部位与去极化部位之间将出现电流流动，这个局部的电流对尚处于静息状态的部位是一个电刺激，会降低其膜电位并提高其兴奋性，兴奋性提高到一定程度，就会在此部位产生新的兴奋点。这一过程沿着细胞膜重复进行，导致了动作电位的连续传播。对于有髓纤维，其神经冲动的传导是跳跃式的，在郎飞氏结上产生的电位变化所引起的局部电流将会扩散到一定的范围内（而不是仅仅局限于第二个郎飞氏结上）。由于兴奋过程只局限于郎飞氏结，它不但可以加速传导速度，而且减少了能量消耗。动作电位的传导是再生式的冲动，具有“全无”性质。电压敏感的Na+通道在每次短暂的开启后，对电位将会不敏感并会暂时关闭，称为不应期。它保证了只产生一个一定幅值的动作电位并且动作电位只朝一个方向传导。

兴奋要从一个神经元传递到另一个神经元必须通过突触，但突触间的生理过程并不仅仅是冲动的传递。突触从功能上来讲是相邻细胞之间的电—化学—电连接器。如图3.2所示，当触前细胞发出的动作电位，即兴奋脉冲到达突触时，泡囊中的神经递质（如乙酞胆碱）将释放到约50nm宽的突触裂隙中，被突触后细胞体（或树突）膜表面的感受体截获后，会改变膜的离子通道的通透性，从而引起膜电位的变化，即产生突触后电位（PSP）。突触后电位的时空跨距明显大于动作电位，其峰值约为10mV，持续时间大约为10ms。信号经过突触后可能发生变化，主要表现在当冲动到达突触小体时，突触前成分会对突触后成分发生特殊的生理性影响，这种影响可以是兴奋的，也可以是抑制的。当突触后成分受兴奋影响而使膜去极化时，就可能发生神经冲动的传递，这种去极化性突触后电位称为兴奋性突触后电位（EPSP）。否则，就是抑制细胞兴奋的超极化抑制性突触后电位（IPSP）。一条神经纤维产生的突触后电位很小，不足以使神经元兴奋。然而，许多神经纤维电位的综合作用便可产生一次冲动。复杂而微妙的中枢神经机能就是由许多神经元的促进性效应与压抑性效应组成的。人脑中的信息处理和行为的响应取决于兴奋信号在神经中的传播路径。

3.1.3 脑电信号的测量

3.1.3.1 脑电测量系统

如图3.3所示，脑电的测量系统通常包含三个部分。

（1）电极（帽）

采用专用的电极（帽）可以从头皮采集到微弱的脑电信号。EEG的电极实际上是一种电压传感器，通过它可以记录头皮上的电位变化。电极通常用银和合金等制成，而银电极上镀氯的氯化银（Ag-AgCl）效果最好。根据作用的不同，电极有很多种，如表面电极（surface electrode）、针状电极（needle electrode）、蝶骨电极（sphenoid electrode）和深部电极（depth electrode）等。目前，常规脑电最常用的电极是表面电极。

（2）脑电信号的预处理和量化

由于自发脑电信号十分微弱，获取后必须通过放大器、滤波器和模/数（A/D）转换器后才能转换为计算机可识别的脑电信号，因此在脑电采集中脑电信号的放大是至关重要的一个环节。EEG信号的带宽是0.5～100Hz,其幅度范围通常是10～100μV，这对放大器的要求而言是非常高的。一台脑电图仪性能的优劣在很大程度上取决于该系统的放大器性能。经过放大的信号还必须经过滤波器的处理，滤波的目的是在对该信号进行数字处理前尽可能降低背景噪声对信号的污染，保留原始信号的真实性。除了放大和滤波外，信号预处理还需防止A/D变换后产生频率混叠，消除基线漂移及趋势项，滤除非研究电生理信号产生的伪迹（artifact或artefact，也称伪差），所有这些措施都是为了改善脑电信号的信噪比。

这里需要特别指出的是，对于常说的工频干扰或50周干扰（即电力线伪迹，我国和欧洲为50Hz，北美多为60Hz），目前常用的脑电采集设备的采样频率是100～500Hz（即每秒采样100～500次）。根据需求不同，实际的采样频率还可以做到很高（如研究听觉脑干诱发电位时，采样频率至少需要达到10000Hz）。如果选用采样频率为250Hz，则理论上（根据奈奎斯特采样定理）可以包含最高125Hz的信号频率范围。显而易见，这个范围包含了工频，因此必须想办法去除工频干扰。但通常不建议使用50Hz陷波滤波（notch，也称50Hz抑制器）的方法，因为这往往会丢失脑电自身50Hz频率上携带的信息。建议通过改善接地等手段去除该干扰，在想尽办法都无法去除干扰时，再使用陷波滤波的方法。

（3）脑电数据的保存

采集到的信号需要做好保存，以供打印或进行后处理。早期的脑电记录是直接将脑电信号用墨水描记在图纸上或保存在磁带上，因此常称脑电记录为脑电描记技术。随着计算机技术的发展，现在脑电的记录已经实现完全数字化，包括分析、显示和存储都是依赖于计算机及其他存储设备来完成，记录容量、速度和准确性大大提高。

3.1.3.2 被试的准备

人类是EEG研究的主要对象，也是本书讨论的主要对象，在进行脑电采集前需要注意以下事项。

（1）被试的选择

选择合适的被试对研究结果的普遍性和可靠性都具有重要的影响。一般而言，正常被试的选取要考虑被试的性别、年龄、社会背景和受教育情况等因素。此外，还要注意被试的利手问题，尤其是在需要被试按键或做出其他手部动作的作业任务中。

如果是研究临床患者的脑电特性，通常还需要有正常对照组，正常对照组的选择要注意与测试组的性别、年龄、受教育程度等相匹配。对特殊被试的研究，可不必要求被试的人数，因为实验以研究探索为主要目的，例如，研究佩戴视觉假体的患者在视觉刺激下的脑电特性时，获取一例被试通常都很难。

通常情况下，最后都需要对实验结果进行统计分析，此时被试人数不能少于10人，一般在15人以上为宜。在组间对比研究中，则通常要求不少于20人。

（2）实验前的准备

采集脑电前，被试应洗净头发或者剃光头发，在保留头发的情况下不要用油或护发素等含油脂高的用品，以免影响皮电阻进而导致波形失真。

血糖过低会影响脑电的结果，建议在被试进餐后3小时内进行测试。

保证被试的精神状态良好。在实验前要向被试解释清楚，此项检查是无伤害、无痛苦的，以消除其紧张焦虑情绪。必要时还可以向被试简单介绍实验内容，以免因为精神状态不佳而影响脑电的采集结果。

测试时通常采取坐姿或卧位闭目，力求使被试感到舒适。

3.1.4 测量脑电的传感器

3.1.4.1 电极的结构和分类

在检测脑电信号时，需要采用脑电测量电极，又称为引导电极。电极通常是由经处理的某种金属板、金属细针或金属网制成。引导电极的性能优良与否，将直接影响脑电检测的结果。脑电记录电极本身不应产生噪声和漂移。实验证明，用火棉胶固定的银—氯化银和金质盘状电极是较好的选择。由于现在的放大器具有高输入阻抗，由其他材料制成的电极也可以取得很好的效果。在记录前必须测量电极间阻抗，一般应不超过5kΩ。

引导电极的种类很多，以安放的位置分，可分为体表电极、皮下电极与植入电极等；按电极的形状分，可分为板状电极、针状电极、螺旋电极、环状电极与球状电极等；按电极的大小分，可分为宏电极与微电极等。记录脑电图所使用的电极有漏斗状电极、盘状电极和针状电极，此外还有需要放置在特定部位的特殊电极如蝶骨电极、鼻咽电极、皮质电极和深部电极等。体表电极若按电极与皮肤之间是否采用导电膏来分，又可以分为湿电极与干电极。前者采用导电膏，后者不用导电膏，仅在金属板上制作一层绝缘薄膜，因而又称为绝缘电极。与一般的传导型电极不同，它利用绝缘薄膜构成电容，作为交流静电耦合，来拾取人体电位的变化分量，因此也称为静电耦合型电极。

检测脑电信号，在测量单细胞或神经元内的电位时，还必须采用比细胞尺寸更小的电极，这种电极的尖端直径仅为0.5～5μm，因此通常称为微电极。微电极一般有两种类型：一类是金属微电极，另一类是充填电解质的玻璃微电极。与金属微电极相比，玻璃微电极具有更高的电极阻抗，等效电路具有低通滤波特性，适宜作为脑电信号的测量工具。金属微电极与玻璃微电极都有各自的使用范围。

脑电图仪的记录部分根据是否有纸质输出可以分为两类：描笔式脑电图仪和非描笔式脑电图仪。描笔式脑电图仪利用描笔装置和走纸传动装置，对采集到的脑电信号进行实时纸质描绘，根据需要可以设定不同的走纸传动速度，常用的有15mm/s、30mm/s和60mm/s，而记录所用的描笔则分为墨水描笔和热敏描笔两种。在记录过程中难免会由于描笔、走纸的相互压力造成脑电波的失真，因此整个记录装置必须具备压力调节装置，以保证记录到的脑电信号完好无损。而非描笔式脑电图仪则不具备这些纸质记录装置，它直接将采集到的脑电信号实时地显示在显示屏上，且具有储存功能，在需要用上位机进行信号处理时，通过模数转换将模拟波形转换为数字信号，更适用于脑电信号的科学研究。现阶段较高档的脑电图仪会同时具备记录装置和显示装置。

电源部分为整机工作提供了所需的电压，因生理信号自身的微弱、非平稳特性，脑电图仪的电源必须是直流供电且保证电压稳定。目前生产的脑电图仪的电源采用光电隔离电路，以保证仪器自身及使用过程中的安全性和抗干扰性能。

在大脑认知功能的研究中，通常使用专门的生理信号采集设备或者专门的脑电信号采集设备，以便获得尽可能高纯度的脑电信号。目前，使用最广泛的是由美国Neurosan公司生产的Neurosan EEG/ERP脑电信号记录系统和美国BIOPAC公司生产的MP150多导生理记录仪。

3.1.4.2 电极安放

脑电采集过程中头皮电极的安放位置有很多种，目前临床医学及科学研究中应用最广泛的是10～20标准电极安置法。以鼻根和枕外隆凸尖的连线为分界线，将脑颅分为左侧、右侧，然后在此连线上从前至后分别分出全线长的10%、4个20%和1个10%，除了鼻根和枕外隆凸尖，其他5点从前至后分别为额极点Fp、额点Fz、中央点Cz、顶点Pz和枕点O。以左耳前点为起始位置，经中央点Cz，画一连线至右耳前点，将脑颅分为前侧、后侧；以Cz为中点，对称地在连线的左右两侧标出四个点，长度均为连线全长的20%，从左至右分别记为左颞点T3、左中央点C3、右中央点C4和右颞点T4,左颞点T3到左耳前点的距离和右颞点T4到右耳前点的距离相等，均为全线长度的10%。这两条连线至关重要，它们决定了电极放置的前后位和中横位。

国际标准的安放原则是：①首先测量颅骨上的标志位置，根据脑颅的形状、大小、标志位置，尽可能成比例地来分布电极；②应当尽可能均匀地将电极分布在头颅上；③为电极的位置命名时，要结合划分的脑区；④要确定电极安放的位置位于皮下的哪个脑区；⑤用国际阿拉伯数字对分布在左、右脑颅上的电极进行标示：左半脑颅上的电极标示用奇数，右半脑颅上的电极标示用偶数，且电极标示的大小从脑颅外侧向中线方向逐渐减小，用零点来标示脑颅正中位置，左、右耳垂电极用A1、A2标示。依据国际标准的这几项基本原则，国际脑电图学会制定了10～20导联国际标准系统，电极的安放位置如图3.4所示，表3.1给出了国际标准系统的导联定位及标号。